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数字温度传感器LM92在电子天平中的应用
发布时间：2017-09-01
1概述
LM92是美国国家半导体公司近年推出的单片高精度数字温度传感器,它具有成本低、功耗低、可靠性高、接口简单、传输距离远等特点。LM92的温度测量范围为-55℃~150℃,内部的13位温度模数转换器(12位模数转换+1位符号)使其温度分辨率可达到0.0625℃,常温下测量精度可高达0.33℃。LM92还具有高/低温度窗口门限及临界温度告警门限设定功能,通过I2C总线可对其内部寄存器进行读/写操作。
2LM92的工作原理
LM92的工作电压为+2.7V~+5.5V,采用8脚SO-8封装形式。其典型工作电流为350μA,在低功耗休眠模式,工作电流典型值仅为5μA。LM92内部结构框图如图1所示。
图1中,SDA为串行数据输入、输出端;SCL为时钟信号输入端;T CRIT A为临界温度告警输出端;INT为漏极开路中断输出端;A1、A0为串行总线地址端。由于只有两位地址,因此I2C总线上最多允许挂接4片LM92。
LM92片内13位A/D转换器按预先设定的工作方式对温度进行实时测量,并将结果送温度值寄存器。同时其内部数字比较器将所测温度值与用户所设临界告警温度(T CRIT)及温度上下限值(THIGH、TLOW)进行比较,当温度超过临界告警温度或偏离温度门限时,比较器动作, T CRIT A或INT对应输出有效信号。
LM92的片内寄存器有温度值寄存器(地址00H)、配置寄存器(地址01H)、迟滞温度值寄存器(地址02H)、临界温度告警点T CRIT寄存器(地址03H)、TLOW温度点寄存器(地址04H)、THIGH温度点寄存器(地址05H)。
温度寄存器为16位只读寄存器,用于读取温度值及状态位,其格式如表1所示。
其中低三位D0~D2为状态位。当被测温度偏离高/低温度窗口门限或超过用户设置的临界告警温度时,相应的状态信息位为1。D3~D14存温度值,D15为符号位。
表2为温度与数值的对应关系。
配置寄存器是8位读/写寄存器,用于设定LM92工作方式,其格式如表3所示。
(1) D0:通过串行总线可设置LM92的工作方式。D0=0为自动测温方式,此方式下LM92每500ms刷新一次温度寄存器;D0=1为低功耗休眠方式,此时内部模数转换器及比较器停止工作,但可通过I2C总线读/写各寄存器。
(2) D1:INT工作模式设置。D1=0为比较中断模式,当温度超限时,INT输出有效电平一直保持到温度返回到窗口门限内;D1=1为事件中断模式,温度超限时触发INT输出,其输出有效电平一直保持到下次读操作,在此期间即使温度返回到窗口门限内,INT输出电平也不变。
(3) D2、D3:分别为T CRIT A有效输出极性位和INT有效输出极性位。为0表示低电平有效,为1表示高电平有效。
(4) D4:故障队列启动位。D4=1表示启动故障队列,默认队列长度为4。启动故障队列,可防止温度测量过程中由于干扰而造成对中断INT及临界温度告警T CRIT A的误触发。
(5) D5~D7位未用,为0。
上电复位时,配置寄存器的默认值为00H。迟滞温度值等寄存器均为16位读/写寄存器,数据存入高13位,低三位D0~D2未定义。
迟滞温度设置是为了避免温度偏离窗口门限或超过临界告警温度后,引起INT和T CRIT A输出信号的频繁跳动而设定的返回温度差值。
上电复位后,各寄存器默认值THYST为2℃、TCRIT为80℃、TLOW为10℃、THIGH为65℃。实际应用中LM92通过I2C串行总线和数据传输协议实现同外设的数据传输。数据线SDA和时钟信号线SCL需外接10kΩ左右的上拉电阻。为防止环境干扰, LM92的电源与地之间要接0. 1μF的滤波电容。
3LM92在电子天平中的应用
3.1电子天平的温度影响
电子天平是一种智能化高精度质量称量仪器。以作者研制的TMP-200电子天平为例,其称量范围为0~200g,感量0.0001g,允许称量误差为0.0002g。电子天平受温度影响较大,因此对环境温度要求较高。实际研究表明,温漂是影响电子天平计量性能的主要因素。图2为电子天平的原理结构图。图中虚线方框内为天平的电磁力平衡传感器。
秤盘加载前,磁力平衡传感器处于平衡状态,遮光片挡住了发光二极管D1的光线,光敏二极管D2的输出电压为0,流经动圈的电流为0。秤盘加载后,通过电磁力平衡传感器、光电转换机构及PID调节,产生一个与被称试样质量m成正比的电流I流经动圈及取样电阻RN。此时载流动圈在永磁体的磁场作用下,将产生向上的力F,使传感器达到平衡状态.
载流动圈发热、电路元件发热、环境温度变化等,都将引起永磁体气隙中的磁感应强度B、动圈导线长度L与动圈导线电阻RL的变化,引起测量误差。因此,必须对电子天平的温度影响加以抑制。减小温度漂移的措施之一就是保持动圈温度恒定。图2中的正弦电流发生器,就是为消除动圈载流发热以及环境温度影响而采取的温度自动补偿措施。对永磁体,则要准确测量出温度变化,通过软件补偿磁感应强度B变化引起的称量误差。
3.2LM92在电子天平温度测量与补偿中的应用
为抑制温度影响,在电子天平中设置了2个LM92数字温度传感器,分别用于准确测量动圈和永磁体的温度和监测电子天平的环境温度。两传感器作为从器件通过I2C总线与单片机89C52相连(图3)。LM92(1)和LM92(2)的配置寄存器上电后采用默认值,即工作在自动测温方式下,传感器的T CRITA、INT有效输出电平为低电平。
LM92 (1)的I2C总线地址为00H,临界告警温度设置为45℃; LM92 (2)的I2C总线地址为11H,设定温度窗口门限为22℃~28℃,其他设定均为默认值。
软件设计中用500ms定时中断程序来实现温度测量,另用一INT0外部中断程序来实现温度异常报警。当电子天平内部工作异常,动圈温度超过45℃或电子天平工作在非正常环境温度下,数字温度传感器将产生一个外部中断报警信号,单片机进入INT0外部中断处理程序,通过读取两温度传感器温度值寄存器中的状态位,做出相应报警并执行相应保持措施。图4为基于LM92温度测量及异常报警的软件工作流程。
摘自：中国计量测控网
